聚合物电解质简介
聚合物电解质的合成及其应用
聚合物电解质的合成及其应用随着电子技术的不断发展，电池作为能源存储的重要手段也得到了广泛应用。
在各种电池中，聚合物电解质因其较低的漏电流和较高的泄电容量等特点，越来越受到人们的青睐。
本文主要介绍聚合物电解质的合成及其应用。
1.聚合物电解质的分类聚合物电解质按照其导电单元的不同分类，可以分为阴离子型聚合物电解质、阳离子型聚合物电解质和混合型聚合物电解质。
其中，阴离子型聚合物电解质和阳离子型聚合物电解质是最常见的两种聚合物电解质。
2.聚合物电解质的合成方法聚合物电解质的合成方法包括化学合成、电化学合成、自由基聚合法、离子聚合法、原子转移自由基聚合法等多种方法，其中，化学合成是最为常见的方法之一。
化学合成中，聚合物电解质的合成通常采用原子转移自由基聚合法。
这种方法中，聚合物电解质的单体一般为具有双亲性的单体，既有亲水基团，又有疏水基团。
另外，聚合物电解质通常还需要功能化单体，如含磷酸单体。
3.聚合物电解质的应用聚合物电解质的应用包括锂离子电池、钠离子电池、超级电容器等。
现在，锂离子电池作为最常用的电池之一，聚合物电解质在其中的应用越来越广泛。
与传统的有机液态电解液相比，聚合物电解质的优点主要有：首先，聚合物电解质的导电性能好。
由于聚合物电解质中的阳离子或阴离子在高分子中随机分布，并与高分子链结合，导致离子的流动路径更加曲折，这限制了离子的自由运动。
不过，聚合物电解质与有机液态电解质相比，其离子迁移数更高，导电性能更好。
其次，聚合物电解质具有优异的化学稳定性。
由于聚合物电解质的高分子性质，其化学稳定性比有机液态电解质要高得多，不易被氧化或分解。
再次，聚合物电解质的力学性能更优异。
由于聚合物电解质中的聚合物具有柔韧性，其力学性能比固态电解质更好，不易破裂或产生内部应力。
最后，聚合物电解质的安全性更高。
由于聚合物电解质是固态的，不易泄漏，因此相对于有机液态电解质，其安全性也更高。
4.总结聚合物电解质的合成和应用是一个既有挑战性又有前景的领域。
聚合物固体电解质综述
谢谢 Thank you
电解质盐的改性
由于锂离子半径很小，如果阴离子半径很大，所形成的盐离解能小而且容易发 生电离。通常采用的锂盐有 LiBF4、LiPF6、LiCF3SO3及 LiN（CF3SO2）2等
电解质与聚合物的组合
利用聚合物的弯曲链把阴离子包围住，从而抑制阴离子的移动。结果表明，锂 离子的迁移数大大增加了，但是总的离子导电性大大下降。
聚合物固体电解质的概述
电解质综述
全固态聚合物电解质
CONTENTS
凝胶聚合物电解质
电解质综述
锂离子电池
超级电容器
燃料电池
电解质广泛应用于电池、高温氧化物燃料电池、超级电容器、电致变
色器件和离子传导型传感器件等。也用在记忆装置、显示装置、化学传感 器中。其作用为：在正负极之间充当离子传输的媒介。
GPE 是由聚合物、锂盐、有机溶剂（也是锂盐的溶剂）等组成的凝胶体系，兼具液体电 解质的高导电率和 SPE 的安全性，GPE 膜被认为是最具有发展潜力的高性能锂离子电池 用电解质材料，也是解决锂离子电池安全性的重要途径。
聚偏氟乙烯（PVDF）
聚丙烯腈（PAN）
常用 材料
聚氧化乙烯（PEO） 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）
研究较多、性能较好
直接涂布法
1
凝胶
将聚合物溶解在锂盐浓度较低的液体电解质中， 将形成的凝胶涂布在制模板上，蒸发多余的溶剂 即得到凝胶聚合物电解质膜
现场聚合法
单体、交联剂、液态电解质和引发剂直接混合均
匀，然后注入电池，真空密封，最后加热或 UV
聚合形成凝胶聚合物电解质
2
3
微孔聚合物隔膜法
限制被为空聚合物隔膜，后将聚合物隔膜寖取电 解质活化，即得到凝胶聚合物电解质。
乙二醇二甲醚聚合物电解质
乙二醇二甲醚聚合物电解质
乙二醇二甲醚聚合物电解质是一种由聚（乙二醇二甲醚）（PEGDME，分子量500h/mol）制成的凝胶聚合物电解质。
这种电解质具有较高的沸点（>250℃）、低蒸汽压和出色的电化学稳定性，是一种理想的增塑剂。
在制备过程中，将纯度99.95%的LiTFSI溶解于分子量为500g/mol的PEGDME中，获得混合溶液。
然后将PVDF-HFP共混物（2801）溶解于丙酮中，然后将前面获得的PEGDME溶液与丙酮溶液混合，并在常温下搅拌4小时混合均匀。
然后将该溶液在聚四氟乙烯片上刮成薄膜，然后在50℃下干燥，除去残余的丙酮。
这种凝胶聚合物电解质命名为GPE-X，其中X代表PVDF-HFP的含量（50%、40%、30%、20%），锂盐浓度为1：20（醚基O：Li=20，摩尔量比）。
如需了解更多关于乙二醇二甲醚聚合物电解质的信息，建议查阅化学类书籍或论文，或咨询相关化学专家。
原位聚合 凝胶电解质 聚合物电解质
原位聚合凝胶电解质聚合物电解质
原位聚合是一种制备凝胶电解质和聚合物电解质的有效方法。
凝胶电解质和聚合物电解质广泛应用于锂离子电池、超级电容器、染料敏化太阳能电池等能源存储和转换领域。
1. 原位聚合
原位聚合是指在电解质体系中直接进行聚合反应,原位形成聚合物网络结构。
该方法可以避免聚合物与电解质溶液相分离,有利于形成均匀的凝胶或聚合物电解质膜。
2. 凝胶电解质
凝胶电解质由聚合物网络和液态电解质组成。
聚合物网络可以限制电解质的流动,提高电解质的力学强度和电化学稳定性。
同时,液态电解质可以保证良好的离子传导性能。
3. 聚合物电解质
聚合物电解质是由聚合物和离子盐组成的固体或橡胶状电解质。
聚合物为离子提供传导通道,离子盐提供离子载体。
相比于液态电解质,聚合物电解质具有更好的机械强度和电化学稳定性,但离子传导率相对较低。
原位聚合是制备凝胶电解质和聚合物电解质的关键步骤。
通过控制聚合条件和引入不同的聚合物或填料,可以调控电解质的离子传导性、机械强度和电化学性能,从而优化其在能源存储和转换器件中的应用。
聚合物电解质的电化学性质及其在电池中的应用
聚合物电解质的电化学性质及其在电池中的应用聚合物电解质（Polymer electrolyte）是一种电导率很高的聚合物体系，可以在电池中代替传统的无机盐电解液，具有较高的安全性、耐久性和稳定性等优点。
近年来，随着电动车市场的兴起和绿色能源的发展，聚合物电解质电池已经成为当前的热点研究领域。
一、聚合物电解质的电化学性质（一）离子传输机制传统的无机盐电解液是通过离子迁移实现电荷传输，而聚合物电解质是通过带声子谱线动力学相互作用实现离子传输。
这种传输机制的基本原理是聚合物链的空间结构对离子的合适尺寸造成筛选性渗透，可使电池中离子传输速率达到很高的水平。
（二）电解质衍生物稳定性聚合物电解质衍生物稳定性是指其在电解质和阳极、阴极反应中的稳定性。
聚合物电解质的衍生物稳定性直接影响电池的寿命和性能，因此，最新的研究已经将注意力集中在聚合物电解质衍生物的稳定性上。
（三）空气稳定性聚合物电解质的空气稳定性也是衡量其优劣的重要指标。
电化学稳定性和空气稳定性之间存在相当的联系，因为良好的电化学稳定性通常会导致较好的空气稳定性。
二、聚合物电解质在电池中的应用（一）锂离子电池目前使用最广泛的聚合物电解质就是用于锂离子电池中的聚合物电解液，由于其具有嗜水性和高点阵竞争，其导电性可与无机盐电解液相媲美。
聚合物电解质锂离子电池优点显著，首先是化学惰性和电化学稳定性好，能耐受锂电池的电化学反应；其次是其具有高离子导电性和低离子工程学阻力，能使锂离子电池的能量密度更高；此外，对于电池容量越来越大的应用需求，聚合物电解质中的离子不易聚集、不易沉积，能够满足电池高功率输出的需求。
因此，锂离子电池的发展离不开聚合物电解质。
（二）锂空气电池与锂离子电池不同，在锂空气电池中，聚合物电解质发挥的作用并不是很重要，反而是催化剂和空气电极的使用更加关键。
但是，由于聚合物电解质中的高离子导电性和空气稳定性，作为一种常见的电解质，可作为电池界面的陶瓷膜，在锂空气电池中起到了一定的加强作用。
乙二醇二甲醚聚合物电解质
乙二醇二甲醚聚合物电解质乙二醇二甲醚聚合物电解质是一种新型的固态电解质材料，具有较高的电导率和优异的机械性能。
随着新能源汽车的快速发展，对高能量密度、安全性和稳定性更高的电池材料的需求也日益增长。
乙二醇二甲醚聚合物电解质作为一种有机固态电解质材料，具有很大的应用潜力。
乙二醇二甲醚（PEGDME）是一种具有醚键和环氧基团的有机化合物，具有优异的溶解性和热稳定性。
在聚合过程中加入一定的交联剂，可以得到具有较高机械性能和热稳定性的聚合物电解质。
乙二醇二甲醚聚合物电解质材料可以通过化学聚合或物理交联的方法获得。
与传统的液态电解质相比，乙二醇二甲醚聚合物电解质具有以下优点：首先，乙二醇二甲醚聚合物电解质具有较高的离子传导率。
其主要原因是乙二醇二甲醚聚合物具有较高的溶解度，可以溶解更多的锂盐，增加离子的传导。
其次，乙二醇二甲醚聚合物电解质可以充分利用其固态特性，提高电池的安全性。
固态电解质具有较高的熔点和较低的挥发性，可以有效防止电池的过热和发生燃烧等危险情况。
再次，乙二醇二甲醚聚合物电解质具有较高的稳定性和耐用性。
相对于液态电解质，乙二醇二甲醚聚合物电解质在循环充放电过程中，具有较好的化学稳定性和电化学稳定性，能够长时间稳定地进行电池运行。
此外，乙二醇二甲醚聚合物电解质可以通过改变其结构和添加适量的纳米材料，进一步提高其电导率和机械性能。
例如，研究人员通过在乙二醇二甲醚聚合物中引入具有良好导电性的纳米材料，如石墨烯、纳米碳管等，成功地制备出高导电性的固态电解质材料。
尽管乙二醇二甲醚聚合物电解质具有许多优点，但仍然存在一些挑战和问题需要解决。
首先，乙二醇二甲醚聚合物电解质的离子传导率还有进一步提高的空间。
研究人员可以通过优化聚合物的结构和添加导电活性物质等方法，更好地改善其离子传导性能。
其次，乙二醇二甲醚聚合物电解质在高温环境下的稳定性还需要加强。
高温环境下，乙二醇二甲醚聚合物电解质可能发生热分解和聚合反应，导致电解质的失效。
环糊精mof聚合物电解质
环糊精-金属有机框架材料(MOF)聚合物电解质是一种新型的复合材料，它结合了环糊精和MOF的优点，具有较高的离子传导性、稳定性以及选择性。
这种材料在许多领域具有广泛的应用前景，如电池、燃料电池、生物医学等。
首先，让我们了解一下环糊精和MOF的基本知识。
环糊精是一种环状低聚糖，具有特殊的空洞结构，可以作为离子通道和选择性袋子，对离子具有很强的亲和力。
金属有机框架材料是一种具有开放结构的新型材料，可以通过添加适当的金属离子和有机基团来构建，具有很高的离子交换能力和稳定性。
接下来，我们讨论这种新型材料的制备和特性。
制备这种材料的关键步骤包括合成环糊精-金属有机框架材料，然后在适当的条件下进行聚合反应，以形成具有特定结构的聚合物电解质。
这种聚合反应通常使用特定的单体、交联剂和引发剂，通过一定的工艺条件，如温度、压力和时间等，来控制聚合物的结构和性能。
这种新型聚合物的特性主要包括高离子传导性、稳定性以及选择性。
由于环糊精的空洞结构和MOF的高离子交换能力，这种聚合物电解质能够快速且有效地传导离子。
同时，由于其特殊的结构，这种聚合物电解质具有很高的化学和热稳定性，能够在各种极端条件下使用。
此外，它的离子选择性也很高，能够有效地隔离不同类型的离子，防止电化学反应中的串电现象。
这种新型聚合物的应用领域非常广泛。
首先，它可以用于开发高性能的电池和燃料电池。
由于其良好的离子传导性和稳定性，这种聚合物电解质可以显著提高电池和燃料电池的性能和效率。
其次，它也可以用于生物医学领域，如神经再生电池、药物输送等。
此外，这种聚合物电解质还可以用于水处理、气体分离等领域。
然而，尽管这种环糊精-MOF聚合物电解质具有许多优点，但仍然存在一些挑战和限制。
例如，如何控制聚合物的结构和性能以适应不同的应用需求，如何提高聚合物的机械强度和耐久性等。
为了解决这些问题，研究人员需要进行更深入的研究，探索新的合成方法和优化制备条件。
总的来说，环糊精-MOF聚合物电解质是一种具有巨大潜力的新型聚合物电解质，具有高离子传导性、稳定性以及选择性。
锂离子电池的聚合物电解质的原理
锂离子电池的聚合物电解质的原理随着电动汽车、便携设备等的普及，锂离子电池作为一种高能量密度和长寿命的电池技术，受到了广泛的关注和应用。
而锂离子电池的聚合物电解质作为其中一个重要组成部分，其原理的研究和应用也越来越受到关注。
聚合物电解质是一种基于聚合物的固态电解质材料，它具有良好的离子导电性能和化学稳定性，能够实现锂离子在正负极之间的迅速传输，并有效地抑制锂离子电池的安全问题，如热失控和内部短路等。
聚合物电解质的原理主要包括以下几个方面。
聚合物电解质的离子传输机制是基于锂离子通过聚合物链的空隙进行扩散。
聚合物电解质通常是由聚合物链和锂盐组成的复合材料，其中锂盐负责提供离子，而聚合物链则提供了锂离子传输的通道。
在锂离子电池中，锂离子会在电解质中形成溶剂化层，然后通过溶剂化层与聚合物链进行交换，最终实现锂离子的传输。
因此，聚合物电解质的离子传输机制是通过扩散实现的。
聚合物电解质具有较高的离子导电性能。
由于聚合物的分子结构中具有大量的极性基团，如羰基、氧、氮等，这些极性基团能够与锂离子形成配位键，从而提高聚合物电解质的离子导电性能。
此外，聚合物电解质中还可以掺入导电剂，如碳黑、纳米填料等，以增加离子的导电性能。
通过这些方法，聚合物电解质的离子导电性能可以达到较高水平，满足锂离子电池的需求。
聚合物电解质具有较好的化学稳定性。
由于锂离子电池的正负极材料具有较高的电化学活性，因此需要一种具有良好化学稳定性的电解质来保护电池的安全性和稳定性。
聚合物电解质由于具有较高的化学稳定性，能够有效地抑制电解质的分解和溶解，避免锂离子电池发生安全问题。
此外，聚合物电解质的化学稳定性还可以通过合理设计和选择聚合物材料来进一步提高。
聚合物电解质还具有较好的机械性能和热稳定性。
由于锂离子电池在充放电过程中会发生体积变化和温度升高等问题，因此需要电解质具有较好的机械性能和热稳定性来保持电池的正常运行。
聚合物电解质由于具有高分子链的柔韧性和热稳定性，能够有效地抵抗体积变化和温度升高带来的应力和损伤，从而提高锂离子电池的循环寿命和安全性能。
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聚 合 物 电 解 质 的 性 能
(3) 与电池电极和其他材料结合
时, 具有较好的化学及电化学相 容性; (4) 具有较好的热力学稳定性; (5) 具有一定的机械强度;
(6) 对环境无毒;
(7) 聚合物材料易于合成且具有
良好的加工性。
目前聚合物电解质大致可分为4种：
1 全固态聚合物电解质 2 凝胶型聚合物电解质
具有交联网状结构的聚氨酯(PEU)型凝胶态聚
合物电解质. 在这种新型的电解质,电解液 小分子被聚合物大分子包裹在其中, 可有效防 止凝胶聚合物电解质的漏液问题, 从而可提高 锂离子电池的安全性.
PSPE（三聚绝缘卷材） 是指聚合物本体具有多孔 结构, 增塑剂和盐存在于 聚合物本体孔结构中. 聚合物多孔膜具有较 高的孔隙率、 较强的液体 保持能力及一定的机械强 度. PSPE膜的离子电导率 一般在 100 S/cm数量级.
保的发展趋势,因此成为近
几年化学电源研究和开发
的热点。
聚 合 物 电 解 质 的 发 展 简 史
1973
Wright首次测量了聚氧乙烯 (PEO)与碱金属盐 (Mx)络合 的电导率 在 PAN2 Li X, PVDF2LiX体系 中加入塑化剂 EC , PC等环酯制 成凝胶聚合物电解质(Gel Solid Polymer Electrolyte GSPE ), 发 现离子电导率大大提高 Armand等报道了 PEO的碱 金属盐在 40 ~ 60e 时离子电 导率达 10- 5S/cm, 且具有良 好的成膜性能,可用作锂离子 电池的电解质
尺寸的聚合物电解质的电导率比含有微米尺寸的要高 .
此外还发现,无机颗粒的尺寸越小,对聚合物结晶的抑
制越明显,也越有利于电导率的提高.
叶霖等合成了梳形聚醚 POE,并与高氯酸锂复配 制成全固态聚合物电解质,并用DSC和XPS分别表征了 链段运动能力和锂盐在POE中的溶解状态对电导率的 影响.交流阻抗测试表明, 当POE 电解质内的氧锂比
2004年 5月 26日, 在第 2 届国际氢能论坛上,清华大 学的燃料电池大巴和同济大 学的燃料电池轿车备受瞩目, 这是我国自主开发首获成功 的大功率燃料电池汽车. 聚合物电解质膜燃料电 池作为一种新型能源，愈来 愈为人们所关注！
虽然聚合物电解质已应用于
锂离子等电池的商品化生产, 但
在实际应用中仍存在一些亟待解
(O/Li)为 20时其电导率最高.
GSPE（葡萄籽原花青素）
作为液态电解质与全固态电
解质的过渡产物, GSPE集合
了固体的柔韧性与液体易扩
散的特点, 克服了液体电解 质易在电极表面生成易燃物 质及漏液的缺点, 使电池的 设计更自由.
吴川、潘春花等采用了一种自制新型超支 化聚醚(PHEMO)与甲苯 2 , 4- 二异氰酸酯 (MDI)在电解液中进行缩合反应, 制备了一种
组组 长员 ：： 吴杨刘杨高 美 彦 军 汝洁云雪梅
电解质 水溶液中或在熔融状态下就能够导电的 化合物。 聚合物电解质 高聚物离子导体，其链节单元中含有可 解离性离子基团。
聚合物电解质不但具有
较好的导电性, 而且具有高
分子材料所特有的质量轻、 弹性好、 易成膜等特点, 在一定程度上符合化学电 源质轻、 安全、高效、 环
决的问题, 因此,聚合物电解质
领域还需作进一步的研究、 优 化和发展.
等优点,被公认为最具发展潜力和应
用市场的电池产品.聚合物锂离子电
池代表着锂电池技术的最高水平, 因此国内外各大锂电池生产厂家及 科研机构都将它作为研发的重点.
聚合物 锂离子电 池的应用 范围
便携式 DVD, 笔记本电脑, 通信装置,矿灯,仪器仪表, 摄 像机,航模车模, 电动玩具, 电动工具, 小型UPS等
1975
1979
Gozdz等利P(VDF2HFP) 20世纪90年代 共聚物制备了多孔型
聚合物电解质
Weston和 Steele最先把电化 学惰性的无机填料 A2 Al 2O3
加入到 SPE 中, 以后各种惰
之 后 性粉末被应用于 SPE中, 逐渐 形成了复合型聚合物电解质体 系
从电化学角度出发, 聚合物电
蓝牙耳机, MP3 , MP4 , 数 码相机, 移动电话, PHS电话， 无线鼠标,手机等.
通信站、电动自行车电动汽 车、专用动力设备UPS等
未来在聚合物锂离子 电池研究中, 聚合物电解 质的结构、 传输机理和基 础研究、 电极界面特性及
高性能的电池组装研究将
仍是主要关注的焦点.
聚合物电解质膜燃料电池
PSPE是较有希望应用于锂离子电池的 一类聚合物电解质, 其离子电导率较接近液 体电解质.另外, 使用 PSPE也使锂电池的装 配过程变得相当简单,该技术的意义在于提 供了低成本的设计和制造新型电池形状的可 能性. PSPE的典型代表是以 Be lleore技术 制备的 PVDF2HFP电解质膜. 利用 Be lleore技术制备的 PSPE膜最先应用于锂离 子电池实际生产中,并在移动电话和PDA中得 到应用, 这是聚合物锂离子电池在产业化方 面迈出的重要一步.
CSPE（氯横化聚乙烯）按照高分子材料 增强理论, 在高分子材料中加入某些无机填
料,能增强高分子材料的机械性能.
研究者把纳米粉末应用于 SPE 的研究中, 制备CSPE膜. 由于所添加的惰性粉末为纳米
材料, 使得SPE膜的性能更稳定.
何钟达、 陈艳玲等采用相转换法制备了 以丙烯腈(AN) /甲基丙烯酸甲酯(MMA)为基质, 添加纳米 Si O2的复合聚合物电解质膜,与空 白隔膜相比, 复合隔膜具有较致密的结构,有
也称质子交换膜燃料电池，
是一种能直接将燃料和氧化剂
中的化学能转化为电能的电化 学装置, 具有能量转换效率高、
环境友好、比能量高(相对于电
池)、操作温度低、启动快等特
点. 聚合物电解质膜燃料电池
应用范围很广,可用于电动汽车、 固定式电源、便携式移动电源 等.
美国能源部已制定了 /氢计划0, 提 出要在2010年让燃料电池在汽车市 场上占有 25 %的份额。 日本经济产业省也提出在 2010年 前要把汽车用燃料电池的价格降低 到普通汽油发动机的水平,并且要首 先从政府机关开始普及燃料电池车. 日本东芝公司于 2004年 6月 25日宣 布开发出了世界上最小的聚合物燃 料电池,只有拇指大小,却可以使像便 携式播放机这样的小型电器连续工 作20 h。
利于提高聚合物的电导率.
聚合物锂离子电池
聚合物电解质的应用
聚合物电解质膜燃料电池
聚 合 物 锂 离 子 电 池
在液态锂离子电池基础上发展起来
的新一代高比能电池体系.它是为解
决液态锂离子电池存在的严重不足
而提出的一种全新的概念电池.聚合 物锂离子电池具有安全性能高、重
量轻、容量大、体积小、易塑性高
聚 合 物 电 解 质 的 性 能
解质应具备以下7种性能:
(1) 有较宽的电化学窗口, 在电池
过充电及放电过程中具有较好的电 化学稳定性,降低充放电时的过电
位;
(2) 为获得较高的电流密度, 聚电
解质的室温电导率必须达到1 0-3S•
cm-1, 离子迁移数应为 1,否则在电 极表面将产生浓度梯度而导致极限 电流;
3 多孔型聚合物电解质
4 复合型聚合物电解质
DSPE（1,2-硬脂酰基 磷脂酰乙醇胺 ）是研究最 早的一类聚合物电解质,
到目前为止, 绝大部分
DSPE的离子电导率都比较 低，但电化学稳定性和对 电极的稳定性好.
Ahn等通过研究在PEO(聚环氧乙烷)/LiC10体系 中添加不同尺寸Al2O3对电导率的影响,发现含有纳米